3 CFD分析的核心部件

计算流体力学(CFD)是一种为解决复杂问题提供洞察力的分析类型,并允许工程师能够测试流体流动对其设计的影响——这是在不需要进行实际实验的情况下完成的。

CFD可以通过自动化的数学原理(如偏微分方程(PDE)和navier stokes),在三维模型上模拟空气动力学、热传导和湍流流动。

流体动力学

CFD在日常生活中的应用

CFD分析已经被证明在日常和现实世界的应用中更有帮助;特别是考虑到各种行业的广泛的用例,包括建筑、车辆设计、石油工程、外科和气象学。

虽然这种形式的分析仍然需要不断的改进,但技术(以及运行它的人员)每天都在进步。

通过CFD软件解决方案,建筑师可以设计出安全舒适的生活环境;而汽车设计师可以改善他们生产的汽车的空气动力学。此外,外科医生可以通过计算血流动力学来治疗动脉疾病,而气象学家可以更准确地预测天气,并警告我们即将发生的自然灾害。

CFD分析的阶段

CFD分析包括三个主要步骤:预处理、处理和后处理,这里对每个步骤进行简要介绍。

1.预处理


预处理是CFD模拟的第一步,如果处理得当,预处理可以帮助准确地定义模拟的参数。

在这一步中,你需要确定感兴趣的领域,并将其划分为几个小的部分-这包括准备几何图形,网格化,定义所涉及的材料的属性,并设置边界层和条件。

预处理的关键要素

如上所述,CFD分析的好坏取决于其实施者——也就是说,设计师建立(或预处理)模型的准确性——因为初始设计最终会影响到后期分析阶段的模型。

对设计人员来说,保证几何模型无误差或缺陷是至关重要的;常见的问题包括:

  • 模型的缺陷
  • 缺少或重叠的面孔
  • 非封闭几何体,如自由面,边和顶点

在准备好模型后,应该是一个“封闭”的实体,没有任何上述错误。一旦完成,还有几个额外的步骤来进行CFD分析的预处理。

问题分析

问题分析是模拟的基石——为了正确定义目标和参数,您需要理解您试图解决的问题。

问问你自己“我要解决的问题的物理原理是什么”?你是在分析血管中随着压力变化而变化的层流和湍流吗?或者你正在评估一个新的厨房用具设计的传热?

通过准确的问题分析,您将能够用正确的属性定义模型,以避免模拟结果中的不正确数据。

几何

一旦你定义了你的物理,你必须创建一个依赖于你的问题分析的二维或三维几何。

有些问题可以在二维空间中解决,这可以通过减少计算需求来节省时间和金钱。像Autodesk Inventor、spacecclaim、CATIA、Solidworks或Design Modeler等工具更适合三维模型,而Design Modeler和GAMBIT则更适合二维模型。

啮合

网格划分需要非常小心,因为如果操作不当,它会对您的分析产生连锁效应。这一步涉及将环境的物理域建立到称为单元或控制卷的定义区域中。

这些单元由控制它们的流体流动方程进一步定义——要求设计师对它们的流动轮廓做出有根据的假设(最好先从一个粗略的网格开始,然后随着时间的推移对特定区域进行细化)。

大多数设计师发现,让这些单元格尽可能小可以帮助你确保分析的准确性。

设置解算器

在这个阶段,你必须明确你想要解决的问题的条件。例如瞬态单相、静止或多相、湍流模型、流体类型和边界条件。

了解问题的物理原理是很重要的,因为数值解是预先设定好的。此外,你必须知道这个方法是如何工作的。当涉及到处理时,您可以选择要使用的处理器,以及实现收敛时所需的迭代。

结果

预处理难题的最后一部分涉及到验证您的设置——您可以通过评估实验或分析结果来实现这一点。对问题物理的理解在这里可能是不同的,因为在你证明结果实际上是准确的之前,很难提出建议。

软件开发工具包from 188bet金搏宝金宝搏的后续网站Spatial可以加速和改进以下预处理:

  • CAD清理
  • 网格生成
  • 边界层自动生成
  • CAD结合维护由设计师设置的材料属性(CAD或进气/排气分组)

3 CFD分析的核心部件


2.处理


通过CFD程序的每一个模拟过程都必须遵循一套定义的步骤。毕竟,模拟是一组必须遵守的步骤——因为这些设定的指导方针有助于避免陷入困境或在随后的阶段接收错误信息。

最后,这些步骤都是相互依赖的,这就是为什么正确的预处理是如此重要。


3.后处理


在模拟阶段获得结果之后,下一步就是分析这些结果。利用矢量图、等高线图、数据曲线和流线等可用的方法来实现这一点。

这样,您将得到准确的报告和图形表示。一些流行的软件工具用于后处理阶段包括EnsSight, ANSYS CFD-POST, ParaView, FieldView和Tecplot 360。这一阶段的过程包括:

  • 导出量的计算
  • 计算参数
  • 可视化
  • 系统的数据分析和
  • CFD模型的调试、验证和验证

CFD分析的未来

计算流体力学在流体建模中得到了广泛的应用,并成为设计各种机械、工具和部件的关键步骤,例如分析水泵的层流和湍流,以及减少船舶阻力。

然而,根据经验,CFD并不能取代真实世界的测试减少原型和测试所需的实验数量(以及相关的总成本和风险)。

CAD环境下的CFD分析为工程师、设计师和科学家提供了无价的能力在物理创建之前查看流体流属性与传统的实验相比,这给了他们许多好处——我们只是触及了表面,在不久的将来会有更多的可能性。

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